CN115370185B - 一种角钢局部和整体防屈曲加固与耗能装置 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种角钢局部和整体防屈曲加固与耗能装置，包括CFRP加固板、第一位移放大装置、第二位移放大装置、第一筒式粘滞阻尼器、第二筒式粘滞阻尼器、加固杆、第一连杆、第二连杆、加固夹具；所述的CFRP加固板固定在被加固角钢的内侧，且与被加固角钢夹紧在一起，CFRP加固板的一端与第一位移放大装置相连，第一位移放大装置通过第一连杆与第一筒式粘滞阻尼器相连，CFRP加固板的另一端与第二位移放大装置相连，第二位移放大装置通过第二连杆与第二筒式粘滞阻尼器相连，第一筒式粘滞阻尼器、第二筒式粘滞阻尼器与加固杆相连，所述的加固杆与CFRP加固板的内侧面相连。

Description

一种角钢局部和整体防屈曲加固与耗能装置
技术领域
本发明属于土木工程的输电设备技术领域，具体涉及一种可对输电铁塔角钢进行加固与减振耗能的装置。
背景技术
输电铁塔作为输电网络的重要组成部分，其可靠性关系到整个电网的安全程度。我国早期修建的输电铁塔所采用的角钢强度等级较低，设计使用年限仅为30年，部分输电铁塔已经进入了超期服役期。因此，对既有输电铁塔进行加固补强改造迫在眉睫。
输电铁塔是一种特殊的钢结构，其结构形式比较复杂，加固时又要保证输电线路正常运行，这给加固方式带来了较多的限制，目前输电铁塔加固最常用两种方法为增大截面法和改变传力路径法。增大截面法在工程中采用的较多，其主要是针对输电铁塔主材进行加固，一般采用构件并联的方式，主要有十字形、T字形、Z字形等。但是这种方法施工工艺比较复杂，对技术要求较高，且会对主材截面产生一定的削弱效果。改变传力路径法多采用加支撑和横向隔板，经验证其具备足够的可行性，但是传力路径的改变会给本身就受力比较复杂的输电铁塔结构带来更多的不确定性，因此该方法在实际工程中应用不多。
发明内容
基于以上研究现状，本发明的目的是提供一种角钢局部和整体防屈曲加固与耗能装置，旨在提高输电铁塔角钢的防屈曲能力，防止输电铁塔角钢在荷载作用下产生弯扭失稳，影响结构的稳定性。该装置具有良好的加固与减振耗能作用，且能够根据实际需求在使用阶段增设和更换部件。
为了实现上述目的，本发明是通过如下的技术方案来实现：
第一方面，本发明的实施例提供了一种角钢局部和整体防屈曲加固与耗能装置，包括CFRP加固板、第一位移放大装置、第二位移放大装置、第一筒式粘滞阻尼器、第二筒式粘滞阻尼器、加固杆、第一连杆、第二连杆、加固夹具；所述的CFRP加固板固定在被加固角钢的内侧，且与被加固角钢压紧，CFRP加固板的一端与第一位移放大装置相连，第一位移放大装置通过第一连杆与第一筒式粘滞阻尼器相连，CFRP加固板的另一端与第二位移放大装置相连，第二位移放大装置通过第二连杆与第二筒式粘滞阻尼器相连，第一筒式粘滞阻尼器、第二筒式粘滞阻尼器与加固杆相连，所述的加固杆与CFRP加固板的内侧面相连。
作为进一步的技术方案，所述的CFRP加固板为1/4圆弧状的弯折板。
作为进一步的技术方案，所述的加固杆为变截面杆，其包括方形钢管和设置于方形钢管一端的横截面为1/4圆的钢管，且方形钢管中部布置有碟形弹簧，碟形弹簧两端与钢管焊接为一个整体；所述的方形钢管与CFRP加固板上的扣件相连，横截面为1/4圆的钢管具有两个矩形平面，水平的矩形平面与第一筒式粘滞阻尼器相连，竖直的矩形平面与第二筒式粘滞阻尼器相连。
作为进一步的技术方案，所述的第一位移放大装置和第二位移放大装置结构相同，各自包括钢管、橡胶垫一、橡胶垫二、变截面钢外壳、油液；变截面钢外壳的一端设置橡胶垫一，另一端设置橡胶垫二，橡胶垫一、橡胶垫二与变截面钢外壳之间形成一个空腔，在该空腔内充满油液。
作为进一步的技术方案，所述的橡胶垫一与第一连杆或第二连杆相连，橡胶垫二与钢管相连。
作为进一步的技术方案，所述的钢管的横截面积大于第一连杆或第二连杆的横截面。
作为进一步的技术方案，所述第一筒式粘滞阻尼器、第二所述筒式粘滞阻尼器的结构相同，各自包括钢板、外钢筒、薄壁钢筒、大橡胶垫和弹簧；第一连杆或第二连杆沿着外钢筒的中心线固定在外钢筒上，第一连杆或第二连杆从外钢筒的一端向外钢筒内部延伸，在第一连杆或第二连杆上套装有钢板，在钢板的侧面焊接有四个薄壁钢筒，留有四个圆孔的大橡胶垫与四个薄壁钢筒相连，弹簧两侧分别与大橡胶垫、外钢筒胶接；甘油阻尼液充满整个筒式粘滞阻尼器内部空腔。
作为进一步的技术方案，所述的薄壁钢筒上也预留有孔。
作为进一步的技术方案，所述钢板与外钢筒之间留有一定的空隙，让甘油阻尼液通过。
作为进一步的技术方案，所述加固夹具包括加固杆、钢转轴一、钢转轴二、加固螺栓和压杆，在靠近CFRP加固板末端的位置设有两个平行设置的延伸臂，其中一个延伸臂通过钢转轴一与压杆相连，另一个延伸臂通过钢转轴二与加固杆相连，且压杆通过加固螺栓与CFRP加固板相连。
上述本发明的实施例的有益效果如下：
本发明创新性的提出一种具有多重加固与耗能效果的角钢加固件，可用于加固现有铁塔的角钢，提高铁塔的抗压承载力，并防止角钢的局部及整体屈曲。同时，本发明引入位移放大装置与筒式粘滞阻尼器结合，可以把角钢振动产生的小位移放大后传递到筒式粘滞阻尼器，更好的发挥筒式粘滞阻尼器的减振耗能作用。同时还可以根据需求在制造时通过调整位移放大装置两端截面积比例调节位移放大倍数。
本发明主要加固件采用的CFRP材料具有强度高、质量轻、耐腐蚀性强、耐久性强等优点。
本发明构造简单，采用加固夹具使得结构安装速度快，不需焊接，避免产生残余应力及局部损伤，性价比较高。并且通过加固板对角钢进行加固，不会造成内力重分布。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍。
图1为一种角钢局部和整体防屈曲加固与耗能装置平面布置图；
图2为一种角钢局部和整体防屈曲加固与耗能装置三维布置图；
图3为加固夹具布置图；
图4为位移放大装置剖面图；
图5为筒式粘滞阻尼器剖面图。
图中：1被加固角钢，2 CFRP加固板，3-1第一加固夹具，3-2第二加固夹具，4扣件，5高强螺栓，6-1第一位移放大装置，6-2第二位移放大装置，7-1第一筒式粘滞阻尼器，7-2第二筒式粘滞阻尼器，8加固杆，9-1第一连杆，9-2第二连杆，10加固折杆；
3-1-1加固竖杆，3-1-2钢转轴一，3-1-3钢转轴二，3-1-4橡胶垫一，3-1-5橡胶垫二，3-1-6加固螺栓，3-1-7压杆；
6-1-1钢管，6-1-2橡胶垫一，6-1-3橡胶垫二，6-1-4变截面钢外壳，6-1-5油液；
7-1-1橡胶套，7-1-2钢板，7-1-3外钢筒，7-1-4薄壁钢筒，7-1-5大橡胶垫，7-1-6弹簧，7-1-7甘油阻尼液。
具体实施方式
应该指出，以下详细说明都是例示性的，旨在对本发明提供进一步的说明。除非另有指明，本发明使用的所有技术和科学术语具有与本发明所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。
需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本发明的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非本发明另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合；
为了方便叙述，本发明中如果出现“上”、“下”、“左”、“右”字样，仅表示与附图本身的上、下、左、右方向一致，并不对结构起限定作用,仅仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的设备或元件必须具有特定的方位，以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
术语解释部分:本发明中的术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或为一体；可以是机械连接，也可以是电连接，可以是直接连接，也可以是通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部连接，或者两个元件的相互作用关系，对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明的具体含义。
正如背景技术所介绍的，现有技术中存在的不足，为了解决如上的技术问题，本发明提出了一种角钢局部和整体防屈曲加固与耗能装置。
本发明的一种典型的实施方式中，如图1所示，本实施例公开的一种角钢局部和整体防屈曲加固与耗能装置，其中，图中被加固角钢1为一个直角角钢，在该直角角钢的两个侧板之间可以放置多个加固耗能机构，如图2所示，在图2中，在直角角钢的两个侧板之间放置有四个加固与耗能机构，四个加固与耗能机构独立设置，每个加固耗能机构包括CFRP加固板2、第一加固夹具3-1、第二加固夹具3-2、扣件4、高强螺栓5、第一位移放大装置6-1、第二位移放大装置6-2、第一筒式粘滞阻尼器7-1、第二筒式粘滞阻尼器7-2、加固杆8、第一连杆9-1、第二连杆9-2、加固折杆10；CFRP加固板2固定在被加固角钢1的内侧，且与被加固角钢1固定连接，CFRP加固板2的一端与第一位移放大装置6-1相连，第一位移放大装置6-1通过第一连杆9-1与第一筒式粘滞阻尼器7-1相连，CFRP加固板2的另一端与第二位移放大装置6-2相连，第二位移放大装置6-2通过第二连杆9-2与第二筒式粘滞阻尼器7-2相连，第一筒式粘滞阻尼器7-1、第二筒式粘滞阻尼器7-2与加固杆8相连，所述的加固杆8与CFRP加固板2的内侧面相连，CFRP加固板2的两端延伸组成第一加固夹具3-1、第二加固夹具3-2。
其中，CFRP加固板2为大约1/4圆弧状的弯折板，CFRP加固板2的两端与被加固角钢1通过第一加固夹具3-1、第二加固夹具3-2夹紧；扣件4为CFRP加固板2的延伸部分，两个扣件4为一组，中间留有放置加固杆8的空间，同时扣件4上预留有螺栓孔；
进一步的，本实施例中的加固杆8为变截面杆，其包括方形钢管和设置于方形钢管一端的横截面为1/4圆的钢管；所述的方形钢管与扣件4相连，（具体的，高强螺栓5穿过扣件4与加固杆8连接，将两者压紧），横截面为1/4圆的钢管具有两个矩形平面，水平的矩形平面与第一筒式粘滞阻尼器7-1相连（具体的可以焊接在一起），竖直的矩形平面与第二筒式粘滞阻尼器7-2相连（具体的可以焊接在一起）；第一筒式粘滞阻尼器7-1通过第一连杆9-1与第一位移放大装置6-1相连，第二筒式粘滞阻尼器7-2通过第一连杆9-2与第二位移放大装置6-2相连。
进一步的，所述的方形钢管中部焊接有碟形弹簧，碟形弹簧在安装时处于预压状态。
进一步的，第一位移放大装置6-1、第二位移放大装置6-2靠近角钢端与被加固角钢1和CFRP加固杆2两者分别通过第一加固夹具3-1、第二加固夹具3-2连接，相对的另一端分别通过第一连杆9-1、第二连杆9-2与第一筒式粘滞阻尼器7-1、第二筒式粘滞阻尼器7-2相连，第一筒式粘滞阻尼器7-1、第二筒式粘滞阻尼器7-2与加固杆8远端纵向平面焊接； 加固折杆10两端分别与第一位移放大装置6-1 、第二位移放大装置6-2相连，中间位置与加固杆8焊接。
如图3所示，进一步的，所述的第一加固夹具3-1和第二加固夹具3-2结构相同，以第一加固夹具3-1为例，对第一加固夹具3-1和第二加固夹具3-2结构进行说明，具体的，第一加固夹具3-1包括加固竖杆3-1-1、钢转轴一3-1-2、钢转轴二3-1-3、橡胶垫一3-1-4、橡胶垫二3-1-5、加固螺栓3-1-6、压杆3-1-7；在靠近CFRP加固板2末端的位置设有两个相互平行的延伸臂，其中一个延伸臂通过钢转轴一3-1-2与压杆3-1-7相连，另一个延伸臂通过钢转轴二3-1-3与加固竖杆3-1-1相连，且压杆3-1-7通过加固螺栓3-1-6与CFRP加固板2相连；且在加固竖杆3-1-1与被加固件接触的面上设有橡胶垫二3-1-5，在CFRP加固板2与被加固件接触的面上设有橡胶垫一3-1-4；且加固竖杆3-3-1与压杆3-1-7均可绕转轴自由转动，加固螺栓3-1-6用来控制第一加固夹具3-1的压紧程度。
如图4所示，进一步的，所述的第一位移放大装置6-1和第二位移放大装置6-2结构相同，以第一位移放大装置6-1为例，对第一位移放大装置6-1 和第二位移放大装置6-2结构进行说明，具体的，第一位移放大装置6-1包括钢管6-1-1、橡胶垫一6-1-2、橡胶垫二6-1-3、变截面钢外壳6-1-4、油液6-1-5；变截面钢外壳6-1-4的一端设置橡胶垫一6-1-2，另一端设置橡胶垫二6-1-3，橡胶垫一6-1-2、橡胶垫二6-1-3与变截面钢外壳6-1-4之间形成一个空腔，在该空腔内充满油液6-1-5；橡胶垫一6-1-2与第一连杆9-1相连，橡胶垫二6-1-3与钢管6-1-1相连。
如图5所示，进一步的，所述第一筒式粘滞阻尼器7-1、第二所述筒式粘滞阻尼器7-2的结构相同，下面以第一筒式粘滞阻尼器7-1为例，对其进行说明：第一筒式粘滞阻尼器7-1包括橡胶套7-1-1、钢板7-1-2、外钢筒7-1-3、薄壁钢筒7-1-4、大橡胶垫7-1-5、弹簧7-1-6和甘油阻尼液7-1-7。
第一连杆9-1沿着外钢筒7-1-3的中心线固定在外钢筒7-1-3上，第一连杆9-1从外钢筒7-1-3的一端向外钢筒7-1-3内部延伸，且在与外钢筒7-1-3接触位置设置有橡胶套7-1-1，在第一连杆9-1上套装有钢板7-1-2，在钢板7-1-2的侧面焊接有四个带圆孔的薄壁钢筒7-1-4，留有四个圆孔的大橡胶垫7-1-5与四个带圆孔的薄壁钢筒7-1-4连接，弹簧7-1-6两侧分别与留有四个圆孔的大橡胶垫7-1-5、外钢筒7-1-3胶接；甘油阻尼液7-1-7充满整个筒式粘滞阻尼器内部空腔；钢板7-1-2、四个带圆孔薄壁钢筒7-1-4、大橡胶垫7-1-5组成一个组件，该组件可以沿着第一连杆9-1来回移动。
更进一步的，所述钢板7-1-2与外钢筒7-1-3之间留有一定的空隙可以让甘油阻尼液7-1-7通过。
更进一步的，所述薄壁钢筒7-1-4上均匀开有圆孔使阻尼液通过。
更进一步的，所述大橡胶垫7-1-5上留有四个圆孔，四个圆孔对应四个薄壁钢筒7-1-4,此外大橡胶垫7-1-5与外钢筒7-1-3接触，甘油阻尼液7-1-7只能从大橡胶垫7-1-5上预留的四个圆孔中流动。
更进一步的，所述弹簧7-1-6中心位于第一筒式粘滞阻尼器7-1和第二筒式粘滞阻尼器7-2的中轴线上。
具体的工作原理如下：
当被加固角钢1承受荷载发生振动变形时，首先将力传递给CFRP加固板2使其发生变形，CFRP加固板2具有较高的强度和弹性模量，具有优异的加固和耗能减振效果，是该装置主要加固部件。同时被加固角钢1的位移也会通过CFRP加固板2传递到第一位移放大装置6-1、第二位移放大装置6-2的钢管6-1-1上，钢管6-1-1发生位移后会挤压第一位移放大装置6-1、第二位移放大装置6-2内的油液6-1-5，油液6-1-5满布位移放大装置腔体且不易被压缩，因此油液会挤压第一连杆9-1、第二连杆9-2与橡胶垫一6-1-2使其产生位移，又因为钢管6-1-1表面积大于第一连杆9-1、第二连杆9-2的表面积，所以被加固角钢1的振动位移在此处产生放大，放大倍数跟第一连杆9-1、第二连杆9-2与钢管6-1-1的表面积比有关。
放大后的位移传递到第一筒式粘滞阻尼器7-1、第二筒式粘滞阻尼器7-2上，第一筒式粘滞阻尼器7-1、第二筒式粘滞阻尼器7-2内部构件在该位移作用下沿长度方向运动，从而使甘油阻尼液7-1-7经由薄壁钢筒7-1-4和大橡胶垫7-1-5上所留圆孔发生流动，发挥耗能减振作用，第一筒式粘滞阻尼器7-1、第二筒式粘滞阻尼器7-2内部所设弹簧7-1-6也发生变形帮助耗散能量，另外设置弹簧7-1-6还可以帮助第一筒式粘滞阻尼器7-1、第二筒式粘滞阻尼器7-2在荷载减小时更快复位。
加固杆8在保障该装置的正常运行中也发挥了重要作用，其远端与筒式粘滞阻尼器外钢筒7-1-3焊接，从加固杆8上延伸出的加固折杆10与变截面钢外壳6-1-4焊接，两者保证了第一位移放大装置6-1、第二位移放大装置6-2和第一筒式粘滞阻尼器7-1、第二筒式粘滞阻尼器7-2的外壳保持相对稳定，从而有效发挥两者的减振耗能效果。同时加固杆8与第一位移放大装置6-1、第二位移放大装置6-2和第一筒式粘滞阻尼器7-1、第二筒式粘滞阻尼器7-2组成两个三角形，具有较强的稳定性，也可以对被加固角钢1起到辅助加固的效果。
加固杆8中设置的碟形弹簧同样起到辅助加固与减振耗能的作用，CFRP加固板2发生变形后会带动碟形弹簧产生位移，起到减振耗能的作用，同时碟形弹簧强度较高，在遭受荷载时变形较小，可以帮助减小CFRP加固板2的位移，具备一定的加固效果。
该装置形式实现了对输电铁塔角钢的多重加固与耗能，可用于加固现有铁塔的角钢，提高铁塔的抗压承载力，并防止角钢的局部及整体屈曲。且该装置主要加固件采用的CFRP材料具有强度高、质量轻、耐腐蚀性强、耐久性强等优点。
该装置引入位移放大装置与筒式粘滞阻尼器结合，可以把角钢振动产生的小位移放大后传递到筒式粘滞阻尼器，更好的发挥筒式粘滞阻尼器的减振耗能作用。同时还可以根据需求在制造时通过调整位移放大装置两端截面积比例调节位移放大倍数。
该装置构造简单，安装速度快，不需焊接，避免产生残余应力及局部损伤，性价比较高。并且通过加固板对角钢进行加固，不会造成内力重分布。
最后还需要说明的是，诸如第一和第二之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。
以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种角钢局部和整体防屈曲加固与耗能装置，其特征在于，包括CFRP加固板、第一位移放大装置、第二位移放大装置、第一筒式粘滞阻尼器、第二筒式粘滞阻尼器、加固杆、第一连杆、第二连杆、加固夹具；所述的CFRP加固板固定在被加固角钢的内侧，且与被加固角钢通过加固夹具压紧，CFRP加固板的一端与第一位移放大装置相连，第一位移放大装置通过第一连杆与第一筒式粘滞阻尼器相连，CFRP加固板的另一端与第二位移放大装置相连，第二位移放大装置通过第二连杆与第二筒式粘滞阻尼器相连，第一筒式粘滞阻尼器、第二筒式粘滞阻尼器与加固杆相连，所述的加固杆与CFRP加固板的内侧面相连；所述的加固杆为变截面杆，其包括方形钢管和设置于方形钢管一端的横截面为1/4圆的钢管；所述的方形钢管中部布置有碟形弹簧，碟形弹簧两端与钢管焊接为一个整体；从加固杆上延伸出的加固折杆的两端分别与第一位移放大装置、第二位移放大装置相连，中间位置与加固杆焊接；所述加固杆与第一位移放大装置、第二位移放大装置和第一筒式粘滞阻尼器、第二筒式粘滞阻尼器组成两个三角形，起到辅助加固的作用。
2.如权利要求1所述的一种角钢局部和整体防屈曲加固与耗能装置，其特征在于，所述的CFRP加固板为1/4圆弧状的弯折板。
3.如权利要求1所述的一种角钢局部和整体防屈曲加固与耗能装置，其特征在于，所述的方形钢管与CFRP加固板上的扣件相连，横截面为1/4圆的钢管具有两个矩形平面，水平的矩形平面与第一筒式粘滞阻尼器相连，竖直的矩形平面与第二筒式粘滞阻尼器相连。
4.如权利要求1所述的一种角钢局部和整体防屈曲加固与耗能装置，其特征在于，所述的第一位移放大装置和第二位移放大装置结构相同，各自包括钢管、橡胶垫一、橡胶垫二、变截面钢外壳、油液；变截面钢外壳的一端设置橡胶垫一，另一端设置橡胶垫二，橡胶垫一、橡胶垫二与变截面钢外壳之间形成一个空腔，在该空腔内充满油液。
5.如权利要求4所述的一种角钢局部和整体防屈曲加固与耗能装置，其特征在于，所述的橡胶垫一与第一连杆或第二连杆相连，橡胶垫二与钢管相连。
6.如权利要求4所述的一种角钢局部和整体防屈曲加固与耗能装置，其特征在于，所述的钢管的横截面积大于第一连杆或第二连杆的横截面。
7.如权利要求1所述的一种角钢局部和整体防屈曲加固与耗能装置，其特征在于，所述第一筒式粘滞阻尼器、第二所述筒式粘滞阻尼器的结构相同，各自包括钢板、外钢筒、薄壁钢筒、大橡胶垫和弹簧；第一连杆或第二连杆沿着外钢筒的中心线固定在外钢筒上，第一连杆或第二连杆从外钢筒的一端向外钢筒内部延伸，在第一连杆或第二连杆上套装有钢板，在钢板的侧面焊接有四个薄壁钢筒，留有四个圆孔的大橡胶垫与四个薄壁钢筒相连，弹簧两侧分别与大橡胶垫、外钢筒胶接；甘油阻尼液充满整个筒式粘滞阻尼器内部空腔。
8.如权利要求7所述的一种角钢局部和整体防屈曲加固与耗能装置，其特征在于，所述的薄壁钢筒上也预留有孔；所述钢板与外钢筒之间留有一定的空隙，让甘油阻尼液通过。
9.如权利要求1所述的一种角钢局部和整体防屈曲加固与耗能装置，其特征在于，所述加固夹具包括加固竖杆、钢转轴一、钢转轴二、加固螺栓和压杆，在靠近CFRP加固板末端的位置设有两个平行设置的延伸臂，其中一个延伸臂通过钢转轴一与压杆相连，另一个延伸臂通过钢转轴二与加固杆相连，且压杆通过加固螺栓与CFRP加固板相连。
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